本文由韩国檀国大学（Dankook University）电子电气工程系的Kyoung-Il Do和Yong-Seo Koo两位研究人员撰写，并于2020年3月发表在《IEEE Transactions on Electron Devices》期刊上（卷67，第3期，1052-1058页）。该研究针对5V应用，提出了一种具有高维持电压和低导通电阻的新型硅控整流器（Silicon-Controlled Rectifier, SCR）静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）保护器件。

一、 研究背景与目的

随着半导体工艺技术的不断进步，芯片尺寸持续缩小，集成度不断提高，导致栅氧化层厚度和结深不断减小。这使得集成电路对静电放电（ESD）事件更加敏感，ESD导致的电路故障和损坏问题日益严重。同时，芯片面积的减小使得ESD设计窗口（即正常工作电压与核心电路击穿电压之间的安全操作区间）变得越来越窄。因此，设计出能够适应狭窄ESD设计窗口、同时具备优异性能的ESD保护电路至关重要。

硅控整流器（SCR）是一种典型的ESD保护器件，其通过寄生的NPN和PNP双极晶体管在ESD事件中发生闩锁（latch-up）来泄放电流，具有单位面积ESD鲁棒性高的优点。然而，传统的SCR器件存在触发电压过高（约17-20V）和维持电压过低（约2-3V）的问题。过高的触发电压可能无法在内部电路受损前及时开启保护；而过低的维持电压则可能在ESD事件后无法有效关断，导致电源和地之间形成持续的低阻通路，引发闩锁效应，从而损坏电路。因此，针对5V等低压应用，亟需开发具有更低触发电压、更高维持电压和更低动态电阻的SCR结构。

为了降低触发电压，研究者们提出了低电压触发SCR（Low-Voltage-Trigger SCR, LVTSCR），通过集成一个栅极接地NMOS（GGNMOS）结构来降低雪崩击穿电压。为了改善电流驱动能力，又发展出了低导通电阻SCR（Low-Ron SCR, LRSCR），它在LVTSCR的基础上增加了一个寄生的PNP晶体管以提供额外的电流泄放路径。然而，这两种结构仍面临维持电压低、以及通过增加栅长来提高维持电压时会牺牲器件面积效率和二次击穿电流（It2，衡量ESD鲁棒性的关键参数）等问题。此外，传统SCR器件在应对负向ESD脉冲时，通常仅依靠单个二极管工作，反向特性有待改善。

基于上述背景，本研究旨在提出一种新型的SCR结构，以解决现有器件在维持电压、导通电阻、电流驱动能力以及反向特性方面的不足，使其更适合5V及类似电压应用的需求。

二、 研究流程与方法

本研究采用了从器件结构设计、仿真验证到实际流片测试的完整流程，具体步骤如下：

1. 新型器件结构设计与原理分析：

   • 研究对象： 本研究提出了一个全新的SCR结构。其核心创新在于引入了一个额外的、具有高电流增益（beta）的寄生NPN双极晶体管（文中标记为QN3）。该晶体管与原有SCR结构中的寄生晶体管（QN2）并联工作。
   • 结构特点： 如图1©所示，与图1(a)的LVTSCR和图1(b)的LRSCR相比，新结构在P阱（P-well）的右侧增加了一个N+区域作为新NPN晶体管（QN3）的发射极，其基区由P阱和栅极区域共同构成。这种设计使得QN3具有比传统SCR中NPN晶体管（QN1， QN2）更短的电流泄放路径和更高的电流增益。
   • 工作原理： 当ESD浪涌施加于阳极时，两个N阱（N-well）电位升高，在N+桥区（N+ bridge）和P阱之间发生雪崩击穿，产生电子-空穴对。空穴电流流向P+阴极区，抬升P阱电位，从而正向偏置P阱与N+阴极区之间的结。这使得两个并联的NPN晶体管（QN2和QN3）同时开启，流经它们的电流进而开启PNP晶体管（QP3），器件进入闩锁模式，高效泄放ESD电流。由于QN3的加入，形成了额外的、更优的电流路径。

2. 计算机仿真验证：

   • 仿真工具： 研究使用Synopsys TCAD软件进行器件仿真，以验证新器件的工作原理和初步特性。
   • 仿真内容与结果：
     • 碰撞电离分析： 如图3所示，仿真结果表明，与LVTSCR和LRSCR只在P阱一侧发生碰撞电离不同，新型器件在P阱左右两侧均发生了均匀的碰撞电离，证实了其“双触发”机制。
     • 电流流向模拟： 如图4所示，在触发后的闩锁状态下，新型器件在右侧形成了明显的电流泄放路径，这归功于QN3的开启，从而降低了整体导通电阻。
     • 混合模式仿真： 如图5所示，研究者构建了人体模型（Human Body Model, HBM）4kV脉冲的混合模式仿真电路。I-V特性曲线显示新型器件具有更低的触发电压。更重要的是，晶格温度仿真显示，在相同ESD应力下，新型器件的最高晶格温度（324K）显著低于LVTSCR（352K）和LRSCR（336K），预示着其具有更高的ESD鲁棒性（It2）。
     • 设计参数优化仿真： 如图6所示，研究者通过仿真分析了关键设计参数L1和L2（即两个N+桥区与P阱接触区域的宽度）对器件电学特性（尤其是触发电压Vt1和维持电压Vh）的影响。结果表明，同时增加L1和L2可以有效增加所有寄生晶体管（QP3, QN2, QN3）的有效基区长度，从而提高维持电压，而对触发电压的影响相对较小，且不会像传统方法那样增加栅极薄氧化层面积。

3. 器件制备与实验测量：

   • 制备工艺： 为了进行公平比较，研究者采用0.18微米双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体（Bipolar CMOS DMOS, BCD）工艺，在同一芯片上流片制备了具有相同宽度的传统LVTSCR、LRSCR以及所提出的新型ESD保护器件。
   • 测量方法：
     • 传输线脉冲（Transmission Line Pulsing, TLP）测试： 这是评估ESD器件性能的核心方法。施加上升时间10ns、脉宽100ns的脉冲，测量器件的I-V特性，从而提取触发电压（Vt1）、维持电压（Vh）、导通电阻（Ron）、二次击穿电流（It2）等关键参数。
     • 高温可靠性测试： 使用热台控制系统将晶圆加热至300K至500K，并在不同温度下进行TLP测量，以评估器件在高温环境下的电学特性（如维持电压、维持电流、It2、Ron）变化，检验其热可靠性。

4. 数据与结果分析：

   • 研究者对TLP测量得到的数据进行对比分析，总结新型器件相对于传统器件的优势。
   • 通过改变设计参数L1、L2以及采用分段发射极（Segmented Emitter）设计，系统性地研究了提升维持电压的方法，并分析了这些方法对器件其他性能（如It2、触发电压）的影响，以指导器件优化。

三、 主要研究结果

1. 基本电学特性对比结果： TLP测量结果（图7及表I）清晰地展示了新型器件的优越性。

   • 触发电压（Vt1）： 新型器件为8.4V，低于LVTSCR的10.8V和LRSCR的9.2V，更易于在内部电路受损前开启。
   • 维持电压（Vh）： 新型器件达到6.0V，远高于LVTSCR的3.68V（后者可能侵入5V IC的正常工作区引发闩锁），且正好适配5V ESD设计窗口（核心损伤电压约12V）。LRSCR虽可通过增加栅长来提高Vh，但会牺牲面积和It2。
   • 导通电阻（Ron）： 新型器件仅为0.96 Ω，显著优于传统器件。这得益于QN3提供的并联低阻泄放路径和高电流增益。
   • 二次击穿电流（It2）： 新型器件达到7.2A（在优化尺寸下可达8.64A），表现出优异的电流驱动能力和ESD鲁棒性。
   • 反向特性： 如图8所示，当施加负向ESD浪涌时，新型器件在两侧N阱区均形成了二极管结（D3， D4），而传统器件通常只有单个二极管路径。这使得新型器件在反向模式下也具有更好的耐受性和更低的导通电阻。

2. 维持电压优化结果： 研究通过两种方法有效提升了新型器件的维持电压。

   • 调整设计参数L1/L2： 如图10(a)和表II所示，将L1和L2从2μm同步增加至6μm，可将维持电压从6.02V提升至8.24V，而触发电压仅从9.14V微增至10.24V，It2仅从8.64A下降至7.34A。这表明该方法能在对触发特性和鲁棒性影响较小的情况下，有效提升维持电压。
   • 采用分段发射极设计： 如图9(b)和图10(b)所示，通过将阴极发射极区域分割（本研究中采用1:11的分段比例），可以降低寄生PNP和NPN晶体管的发射极注入效率，从而进一步提高维持电压至10.24V。但需注意，分段会导致有效发射极面积减小，可能因电流拥挤效应而降低It2。

3. 高温可靠性测试结果： 如图11所示，在高温（500K）下，传统LRSCR的维持电压降至5.2V，It2降至5.02A。而新型器件在500K下仍能保持5.5V的维持电压（仍高于内部电路正常操作范围）和7.04A的It2，显示出更优越的热稳定性和高温下的ESD鲁棒性。

四、 研究结论与价值

本研究成功设计并验证了一种适用于5V应用的新型SCR ESD保护器件。该器件通过引入一个具有高电流增益和短放电路径的额外寄生NPN晶体管（QN3），实现了双触发操作和并联电流泄放路径。这带来了多重优势：更低的触发电压、更高的维持电压、更低的导通电阻、更强的电流驱动能力（高It2）以及改善的反向特性。

其科学价值在于提出了一种通过结构性创新（增加特定寄生晶体管）来同时优化SCR器件多个关键性能参数（Vt1， Vh， Ron， It2）的设计思路，并深入分析了其物理机制。应用价值则体现在：该器件能够完美契合狭窄的5V ESD设计窗口，在提供可靠ESD保护的同时，有效避免了闩锁风险；其高电流驱动能力和面积效率有助于减小芯片面积，降低成本；良好的高温可靠性确保了其在各种工作环境下的稳定性。该研究为先进工艺节点下的低压、高可靠性ESD保护设计提供了一种有效的解决方案。

五、 研究亮点

1. 结构创新与性能突破： 核心创新点在于引入了额外的寄生NPN晶体管（QN3），创造了独特的双触发和并联泄放机制。这一结构性改变是器件获得低触发电压、低导通电阻和高维持电压等综合优异性能的根本原因。
2. 系统的优化方法： 研究不仅提出了新结构，还系统探索了通过调节设计参数（L1， L2）和采用分段发射极设计来进一步优化维持电压的方法，并详细评估了这些优化对器件其他性能的折衷影响，为工程应用提供了灵活的设计指南。
3. 完整的验证流程： 研究结合了TCAD仿真、实际流片制备、TLP测试和高温可靠性测试，形成了一个从理论设计、仿真预测到实验验证的完整研究闭环，结论坚实可靠。
4. 明确的比较基准： 所有对比器件（LVTSCR， LRSCR， 新型器件）均在相同的工艺线和相同的设计规则下制备，确保了比较的公平性和结论的说服力。
5. 关注实际应用需求： 研究始终围绕“适配5V ESD设计窗口”这一实际应用目标展开，所有性能改进都针对现有器件的不足，具有明确的工程导向性。